Появление двумерных наноматериалов закладывает новый путь развития бестопливной электрогенерации
Переход на «зелёную» энергетику обусловлен не только экологическими причинами, но и, не в последнюю очередь, стремлением стран-импортёров ископаемого топлива снизить зависимость от него. В этой связи ряд стран разработал и внедряет программы декарбонизации. Например, Европейский союз принял программу «Green Deal», цель которой — сократить выбросы углекислого газа вдвое к 2030 году и достичь нулевых выбросов СО2 и «климатической нейтральности» к 2050 году. На реализацию этой программы планируется выделить около 1 трлн евро до 2030 года.
США также разработали программу «Green New Deal», в рамках которой планируется инвестировать $2 трлн для достижения 100% «чистой» электроэнергии к 2035 году. Китай уже является мировым лидером по внедрению «зелёной» энергетики, заменяющей электрогенерацию от сжигания угля.
Канцлер Германии Олаф Шольц на открытии крупнейшей промышленной выставки «Ганноверская ярмарка» заявил, что эпоха ископаемого топлива завершилась. Он не единственный, кто так считает. В рамках форума в Давосе в январе 2024 года генеральный секретарь ООН Антониу Гутерриш также заявил, что возобновляемые источники энергии являются единственной альтернативой ископаемому топливу.
Однако эксперты считают такие заявления преждевременными. Для промышленности важна цена за 1 кВт*час, а не технология его получения. Жёсткие законодательные ограничения на выбросы CO2 и переход на энергию от ветра и солнца могут привести к деиндустриализации стран и потере конкурентоспособности энергоёмких производств. Уже сейчас наблюдается тенденция ухода компаний из Германии и переноса производств в США и Китай.
Статистика показывает, что за последние 5 лет Европа значительно увеличила мощности добычи ископаемого топлива. Однако новые вышки появляются в «бедных» странах, что автоматически перекладывает вину за негативное климатическое влияние на правительства этих стран.
По мнению главы Saudi Aramco Амина Насера, стратегия «зелёной» электрогенерации в Европе не является эффективной. В ближайшее время человечество не сможет полностью заменить ископаемое топливо на ветряные генераторы и солнечные панели. Одной из причин этого является зависимость таких источников энергии от погодных условий, что делает их неэффективными. Например, в Калифорнии более 25% электроэнергии получают от солнечных панелей. Однако в яркие солнечные дни генерация электроэнергии от панелей превышает спрос на неё, что приводит к отрицательным ценам на электроэнергию в такие периоды.
Одновременно с продолжающимся увеличением доли «зелёной» электроэнергии в общем энергобалансе происходит увеличение отпускных цен для потребителей. В 2023 году цены на электроэнергию для жилых помещений в Калифорнии выросли на 3 цента за киловатт-час, что составляет увеличение на 11,9%. В результате средний домовладелец в Калифорнии платит за электроэнергию 28,9 цента за кВт*час, что делает Калифорнию третьим по дороговизне штатом по потреблению электроэнергии в Соединенных Штатах после Коннектикута и Гавайев.
Избыток генерируемой электроэнергии калифорнийский сетевой оператор продаёт соседним штатам. Однако полностью реализовать избыток электроэнергии подобным образом не удаётся. По данным Washington Post, 95% из 2,4 млн МВт*часов потраченной впустую электроэнергии в Калифорнии в 2022 году приходилось на солнечную энергию.
В мире есть семь стран, которые получают 100% электроэнергии из возобновляемых источников. Это Албания, Исландия, Бутан, Эфиопия, Исландия, Непал, Парагвай. Близки к практически 100% электрогенерации от возобновляемых источников ряд стран: Демократическая Республика Конго, Норвегия. В этих странах генерация электроэнергии осуществляется не только от ветра и солнца, но и от геотермальных и гидроэлектростанций. Это позволяет синхронизировать выработку электроэнергии с её потреблением и отправлять избыток в соседние страны.
В Европе по мере увеличения доли солнечной и ветровой генерации всё чаще наблюдаются отрицательные цены на электроэнергию в солнечные дни и при сильном ветре. В настоящее время некоторую часть избытка электроэнергии удаётся реализовать в виде перетоков в соседние страны с меньшей долей солнечной и ветровой генерации. Однако каким образом энергетическая система будет балансировать, когда все страны в соответствии с программой декарбонизации Green Deal увеличат мощности электрогенерации от солнца и ветра и откажутся от ископаемого топлива? Ведь тогда перетоки лишней электроэнергии в соседние страны станут невозможны из-за переизбытка электроэнергии от солнца и ветра у них самих.
Выход из этой ситуации — поиск внутренних бестопливных источников генерации с гарантированным объёмом выработки. Одним из перспективных направлений развития таких бестопливных технологий электрогенерации является использование двумерных материалов толщиной один атом. Исследование свойств таких материалов началось не более 20 лет назад, т. к. появились технологии их получения.
Способы получения двумерных материалов делятся на две группы.
1. «Снизу вверх». К этой группе относятся: химическое осаждение из газовой фазы, жидкофазный синтез, поверхностная сегрегация и др. С помощью этих методов получают 2D-материалы с большими латеральными размерами и контролируемой толщиной.
2. «Сверху вниз». Для этой группы характерны следующие пути получения 2D-материалов: раскрывание нанотрубок, химическая эксфолиация, механическая, электрохимическая, ультразвуковая эксфолиация и др. При методах синтеза 2D-материалов «сверху вниз» сохраняется кристаллическая структура исходного слоистого кристалла.
Примеры методов:
Наноматериал представляет собой последовательность наносимых двумерных слоёв графена и легированного кремния. Это полупроводниковый многослойный «сэндвич», где первый слой графена наносится на металлическую пластину. Благодаря разнополюсности такого «сэндвича» можно соединять пластины последовательно и параллельно для получения нужных выходных параметров источников электроэнергии по току и напряжению. Такая технология электрогенерации получила название Neutrinovoltaic, или графевая электрогенерация, поскольку именно графен является резонатором-преобразователем энергии полей излучений невидимого спектра в электрический ток.
Уникальность графеновой энергетики заключается в том, что источник электроэнергии работает в базовом режиме круглосуточно, независимо от погодных условий. Перевод некоторых частных потребителей на индивидуальное электроснабжение от графеновых бестопливных источников позволит сглаживать пики электропотребления в утренние и вечерние часы, а также перевести теплоснабжение помещений на электричество.
В настоящее время, по информации от Holger Thorsten Schubart, президента Neutrino Energy Group, проводятся ресурсные испытания источников электроэнергии Neutrino Power Cubes мощностью 5-6 кВт. В процессе испытаний также тестируется система управления с целью проверки возможности работы не только в базовом, но и в маневренном режиме.
Holger Thorsten Schubart подчёркивает универсальность разработанной технологии для различных прикладных применений, где требуется стабильное электроснабжение. Это могут быть электромобили, водные виды транспорта, различные виды гаджетов и многое другое.
Holger Thorsten Schubart уверен, что исследования свойств двумерных материалов открывают широкие перспективы для прогрессивного развития науки и открывают дорогу для создания уникальных технологий.
США также разработали программу «Green New Deal», в рамках которой планируется инвестировать $2 трлн для достижения 100% «чистой» электроэнергии к 2035 году. Китай уже является мировым лидером по внедрению «зелёной» энергетики, заменяющей электрогенерацию от сжигания угля.
Канцлер Германии Олаф Шольц на открытии крупнейшей промышленной выставки «Ганноверская ярмарка» заявил, что эпоха ископаемого топлива завершилась. Он не единственный, кто так считает. В рамках форума в Давосе в январе 2024 года генеральный секретарь ООН Антониу Гутерриш также заявил, что возобновляемые источники энергии являются единственной альтернативой ископаемому топливу.
Однако эксперты считают такие заявления преждевременными. Для промышленности важна цена за 1 кВт*час, а не технология его получения. Жёсткие законодательные ограничения на выбросы CO2 и переход на энергию от ветра и солнца могут привести к деиндустриализации стран и потере конкурентоспособности энергоёмких производств. Уже сейчас наблюдается тенденция ухода компаний из Германии и переноса производств в США и Китай.
Статистика показывает, что за последние 5 лет Европа значительно увеличила мощности добычи ископаемого топлива. Однако новые вышки появляются в «бедных» странах, что автоматически перекладывает вину за негативное климатическое влияние на правительства этих стран.
По мнению главы Saudi Aramco Амина Насера, стратегия «зелёной» электрогенерации в Европе не является эффективной. В ближайшее время человечество не сможет полностью заменить ископаемое топливо на ветряные генераторы и солнечные панели. Одной из причин этого является зависимость таких источников энергии от погодных условий, что делает их неэффективными. Например, в Калифорнии более 25% электроэнергии получают от солнечных панелей. Однако в яркие солнечные дни генерация электроэнергии от панелей превышает спрос на неё, что приводит к отрицательным ценам на электроэнергию в такие периоды.
Одновременно с продолжающимся увеличением доли «зелёной» электроэнергии в общем энергобалансе происходит увеличение отпускных цен для потребителей. В 2023 году цены на электроэнергию для жилых помещений в Калифорнии выросли на 3 цента за киловатт-час, что составляет увеличение на 11,9%. В результате средний домовладелец в Калифорнии платит за электроэнергию 28,9 цента за кВт*час, что делает Калифорнию третьим по дороговизне штатом по потреблению электроэнергии в Соединенных Штатах после Коннектикута и Гавайев.
Избыток генерируемой электроэнергии калифорнийский сетевой оператор продаёт соседним штатам. Однако полностью реализовать избыток электроэнергии подобным образом не удаётся. По данным Washington Post, 95% из 2,4 млн МВт*часов потраченной впустую электроэнергии в Калифорнии в 2022 году приходилось на солнечную энергию.
В мире есть семь стран, которые получают 100% электроэнергии из возобновляемых источников. Это Албания, Исландия, Бутан, Эфиопия, Исландия, Непал, Парагвай. Близки к практически 100% электрогенерации от возобновляемых источников ряд стран: Демократическая Республика Конго, Норвегия. В этих странах генерация электроэнергии осуществляется не только от ветра и солнца, но и от геотермальных и гидроэлектростанций. Это позволяет синхронизировать выработку электроэнергии с её потреблением и отправлять избыток в соседние страны.
В Европе по мере увеличения доли солнечной и ветровой генерации всё чаще наблюдаются отрицательные цены на электроэнергию в солнечные дни и при сильном ветре. В настоящее время некоторую часть избытка электроэнергии удаётся реализовать в виде перетоков в соседние страны с меньшей долей солнечной и ветровой генерации. Однако каким образом энергетическая система будет балансировать, когда все страны в соответствии с программой декарбонизации Green Deal увеличат мощности электрогенерации от солнца и ветра и откажутся от ископаемого топлива? Ведь тогда перетоки лишней электроэнергии в соседние страны станут невозможны из-за переизбытка электроэнергии от солнца и ветра у них самих.
Выход из этой ситуации — поиск внутренних бестопливных источников генерации с гарантированным объёмом выработки. Одним из перспективных направлений развития таких бестопливных технологий электрогенерации является использование двумерных материалов толщиной один атом. Исследование свойств таких материалов началось не более 20 лет назад, т. к. появились технологии их получения.
Способы получения двумерных материалов делятся на две группы.
1. «Снизу вверх». К этой группе относятся: химическое осаждение из газовой фазы, жидкофазный синтез, поверхностная сегрегация и др. С помощью этих методов получают 2D-материалы с большими латеральными размерами и контролируемой толщиной.
2. «Сверху вниз». Для этой группы характерны следующие пути получения 2D-материалов: раскрывание нанотрубок, химическая эксфолиация, механическая, электрохимическая, ультразвуковая эксфолиация и др. При методах синтеза 2D-материалов «сверху вниз» сохраняется кристаллическая структура исходного слоистого кристалла.
Примеры методов:
- Метод химического осаждения из газовой фазы позволяет создать качественные плёнки многих двумерных материалов (хотя его реализация обходится довольно дорого).
- Методы химической эксфолиации слоистых материалов позволяют получать дисперсии и хлопья толщиной в несколько атомных слоёв.
- Существуют методы с использованием высокоэнергетического помола в планетарных мельницах и комплексные методы, где получают промежуточные фазы, а затем за счёт химического воздействия расслаивают материал на очень тонкие чешуйки.
- Метод высокоинтенсивной ультразвуковой кавитации помогает получать двумерные структуры из массивного состояния.
Каждый метод существенно влияет на свойства получаемого материала.
Holger Thorsten Schubart, президент компании Neutrino Energy Group
Появление технологий получения двумерных материалов привело к созданию уникального наноматериала компанией Neutrino Energy Group. Этот материал способен преобразовывать энергию частиц из окружающих полей излучений невидимого спектра в электрический ток. Наноматериал представляет собой последовательность наносимых двумерных слоёв графена и легированного кремния. Это полупроводниковый многослойный «сэндвич», где первый слой графена наносится на металлическую пластину. Благодаря разнополюсности такого «сэндвича» можно соединять пластины последовательно и параллельно для получения нужных выходных параметров источников электроэнергии по току и напряжению. Такая технология электрогенерации получила название Neutrinovoltaic, или графевая электрогенерация, поскольку именно графен является резонатором-преобразователем энергии полей излучений невидимого спектра в электрический ток.
Уникальность графеновой энергетики заключается в том, что источник электроэнергии работает в базовом режиме круглосуточно, независимо от погодных условий. Перевод некоторых частных потребителей на индивидуальное электроснабжение от графеновых бестопливных источников позволит сглаживать пики электропотребления в утренние и вечерние часы, а также перевести теплоснабжение помещений на электричество.
В настоящее время, по информации от Holger Thorsten Schubart, президента Neutrino Energy Group, проводятся ресурсные испытания источников электроэнергии Neutrino Power Cubes мощностью 5-6 кВт. В процессе испытаний также тестируется система управления с целью проверки возможности работы не только в базовом, но и в маневренном режиме.
Holger Thorsten Schubart подчёркивает универсальность разработанной технологии для различных прикладных применений, где требуется стабильное электроснабжение. Это могут быть электромобили, водные виды транспорта, различные виды гаджетов и многое другое.
Holger Thorsten Schubart уверен, что исследования свойств двумерных материалов открывают широкие перспективы для прогрессивного развития науки и открывают дорогу для создания уникальных технологий.
